Стаи клеток двигаются как стаи животных
В перемещениях эмбриональных и опухолевых клеток есть нечто, что делает их похожими на стаи саранчи и рыбьи косяки.
Многие важные биологические процессы связаны с движением клеток. Здесь имеются в виду не мышечные сокращения и не помахивания выростами-ворсинками, а в буквальном смысле перемещение клетки с места на место. Например, способностью к самостоятельным движениям обладают иммунные клетки, рыскающие в недрах тканей в поисках патогенов. А во время зародышевого развития клетки эмбриона только и делают, что двигаются из одной его части в другую. Не будем забывать и об опухолевых клетках, которые, перемещаясь, образуют вторичные очаги болезни в новых органах.
Разумеется, биологи давно исследуют механизмы клеточного движения, но до сих пор больше всего внимания уделяли либо одиночным клеткам, либо тем, которые физически соединены друг с другом и таким образом, как бы взявшись за руки, куда-то движутся. В последние годы, однако, исследователи стали всё чаще говорят о коллективном поведении одиночных клеток, которые не соединены друг с другом, движутся сами по себе, но при том находятся в коллективе себе подобных и как-то соотносят своё поведение со всей группой. И здесь обнаруживаются довольно любопытные закономерности.
Например, Роберто Майор (Roberto Mayor) из Университетского колледжа Лондона вместе с коллегами обнаружил, что некоторые зародышевые клетки ведут себя подобно роящейся саранче. Как известно, у саранчи есть одиночная форма и стадная, когда насекомые собираются в большие скопления и отправляются странствовать. При этом поведение каждой отдельной особи в стае подчиняется определённым правилам – скажем, все держатся на определённом расстоянии друг от друга.
Точно так же ведут себя клетки нервного гребешка, или нервного валика, особой зародышевой структуры, образующейся при развитии нервной трубки. Клетки нервного гребешка чрезвычайно активно мигрируют и, разбегаясь по зародышу, дают начало самым разным тканям и органам: из них получаются хрящи лицевого черепа, часть мозговых оболочек, некоторые клетки нервной системы и т. д. Перемещаясь большими группами, они избегают приближаться к своим соседям – просто потому, что на определённом расстоянии включается контактное подавление способности к движению. То есть чем ближе клетка к товарищу по группе, тем медленнее она ползёт, и тем больше вероятность, что она оттолкнётся от соседа, сменит курс.
Это помогает сохранять правильное направление движения: выбрав неверный путь, сразу натыкаешься на кого-то другого, кто не позволит тебе дальше идти в неправильную сторону. Компьютерное моделирование показало, что в таком случае большая группа клеток будет дробиться на более мелкие. Однако взаимное отталкивание – не единственная сила, управляющая поведением мигрирующих клеток; кроме отталкивания есть ещё и притяжение. Клетка стремится приблизиться к другой, находящейся от неё на сравнительном удалении – такое притяжение позволяет идти вслед за лидером. Но, повторим, при слишком сильном приближении сработает противоположная сила, и клетка замедлит свой путь.
Авторы работы, сделавшие доклад о движущихся клетках на ежегодной конференции Американского общества клеточной биологии, отмечают, что у зародыша разные группы взаимодействующих клеток подчиняются той или иной силе, то есть либо притяжению, либо отталкиванию. Получается, что одна разновидность клеток старается убежать от другой, а другая её догоняет. В результате они добираются до нужного места, где останавливают свой бег и начинают формировать какую-то структуру.
На той же конференции был сделан доклад о поведении клеток глиомной опухоли мозга. Глиомы формируют характерные пальцеобразные выступы, и каждый такой опухолевой «палец» представляет собой группу 10-20 клеток. Нейробиолог Педро Ловенстейн (Pedro Lowenstein) из Мичиганского университета и математик Себастиен Мотч (Sebastien Motsch) из Университета штата Аризона создали виртуальную математическую модель опухоли, из которой стало понятно, что глиома способна складываться в вихреобразные или сферические структуры, или же складываться во что-то вроде застывшего потока. Причём, что любопытно, вихри и потоки, образованные глиомными клетками, были похожи на те, которые образуют в море рыбьи косяки. Очевидно, какие-то базовые закономерности движения индивидуумов в группе одинаковы как для животных стай, так и для клеток, и, возможно, некоторые особенности миграции зверей, насекомых, рыб и птиц вполне можно использовать в изучении онкологических и эмбриональных процессов.
В случае с глиомой, однако, обнаружилась ещё одна особенность: те опухолевые клетки, которые сами были более-менее округлыми, не стремились к перемене мест, в отличие от своих «коллег» вытянутой формы. И если вытянутые клетки подселяли к круглым, то вторые тоже начинали двигаться, формируя те самые клеточные потоки. Подвижные клетки делали опухоль более убийственной: мыши, у которых глиома не формировала никаких выступов и выростов, жили 200 дней, а вот те, у кого глиомные клетки были склонны к движению, жили всего 50 дней. Так что тут есть повод задуматься над тем, как создать средство, которое делало бы раковые клетки более «сидячими».
По материалам ScienceNews.
